BÁO cáo đề tài THIẾT kế mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Nội dung vướng mắc- Liên kết mô hình nhận dạng giọng nói với chức năng điều khiển trên webserver 1.1.4 Nội dung tiếp theo - Hệ thống camera streaming tự động gửi ảnh về chủ nhà khi khách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN - -

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc CườngNhóm sinh viên thực hiện:

Trần Việt Hoàng MSSV: 20172571Dương Đức Hiếu MSSV: 20172547

Mục lục

1 Chương 1 Nhật ký

1.1 Tuần 11.2 Tuần 21.3 Tuần 31.4 Tuần 4

2 Chương 2 Nhiệm vụ thiết kế

2.1 Giới thiệu về Smart Home2.2 Chức năng mô hình SmartHome thực hiện

3 Chương 3 Kịch bản sử dụng

3.1 Yêu cầu cho thiết kế3.1.1 Cửa tự dộng

3.1.2 Ánh sáng3.1.3 Nhiệt độ3.1.4 Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm3.1.5 Hệ thống đảm bảo an toàn

3.1.6 Giám sát, điều khiển từ xa3.1.7 Các kịch bản khác

3.2 Phương thức đánh giá

4 Chương 4 Thiết kế

4.1 Thiết kế cơ khí4.2 Thiết kế các chức năng, hệ thống (hardware)4.3 Thiết kế phần mềm (software)

4.3.1 Tổng quan hệ thống4.3.2 Hiển thị LCD

4.3.3 Xuất xung PWM bằng PCA98654.3.4 Cảm biến DHT11

4.3.5 1 – Wire4.3.6 I2C4.3.7 Truyền thông không dây kết nối Internet4.3.8 Giao thức MQTT

4.3.9 Nhận diện giọng nói (Python code)

5 Chương 5 Triển khai

5.1 Linh kiện, thiết bị

5.1.1 Vi điều khiển ESP82665.1.2 Cảm biết nhiệt độ & độ ẩm DHT115.1.3 Màn hình LCD 1602

5.1.4 LED đỏ, LED công suất và đèn sợi đốt5.1.5 Cảm biến chuyển động PIR

5.1.6 Cảm biến cường độ ánh sáng GY - 305.1.7 Module thu phát hồng ngoại phát hiện lửa5.1.8 Quạt

6.Chương 6 Thử nghiệm đánh giá

Lời kết

CHƯƠNG 1 NHẬT KÝ

1.1 Tuần 1

Phân chia công việc

- Việt Hoàng + Đức Hiếu : Đang trong quá trình làm mô hình nhà

- Phạm Hoàng : Xong điều khiển đèn led qua webserver (code bằng php), giao thức truyền thông HTTP (Local)

1.1.2. Nội dung đã thực hiện

- Giao diện website

- Xong mô hình nhận dạng giọng nói (speech to text)

1.1.3 Nội dung vướng mắc

- Liên kết mô hình nhận dạng giọng nói với chức năng điều khiển trên webserver

1.1.4 Nội dung tiếp theo

- Hệ thống camera streaming tự động gửi ảnh về chủ nhà khi khách đến nhà

capture

- Hệ thống điều khiển bóng đèn, cửa, quạt bằng giọng nói

- Hệ thống đọc cảm biến và hiển thị lên server

- Hệ thống chống trộm phát hiện tia hồng ngoại khi được kích hoạt

1.2 Tuần 2 Phân chia công việc

- Các linh kiện cần thiết (Phạm Hoàng+ Việt Hoàng)

1.3 Tuần 3 1.3.2 Phân chia công việc

- Phạm Hoàng: Hoàn thành code web server, khi người dùng login thành công thìđèn tự động bật, khi logout thì đèn tự động tắt Khi login thành công hệ thống, người sử dụng có thểđiều khiển khiển đèn, quạt

- Dương Đức Hiếu: thử lắp linh kiện demo Smart Home bằng bìa catton + viết báocáo

- Việt Hoàng: đọc được cảm biến DHT11 và cảm biến PIR, lập trình và hiển thị thành công lên màn hình LCD16x2

1.3.3 Nội dung đã thực hiện

- Cảm biến DHT11: DHT11 Là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất

dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất) Cảm biếnđược tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳtính toán nào

- LCD text 1602 một sản phẩm quen thuộc với những người mới học và muốn thựchiện các dự án về điện tử, lập trình Với khả hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, đồng thời có rấtnhiều ví dụ mẫu được cộng đồng Arduino xây dựng sẵn sẽ giúp người mới sử dụng làm quen nhanh hơncũng như tiết kiệm được thời gian trong việc phát triển ứng dụng của mình.

Cảm biến PIR là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại.Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng Trong các cơ thể sống, trongchúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tianhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt radạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyểnđộng Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, haychủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như conngười con vật…

+ Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code

+ Dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều

khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT

- Chức năng điều khiển đèn

- Thử nghiệm : Hệ thống điều khiển đèn, quạt qua webserver hoạt động chính xác

- Hệ thống đọc cảm biến DHT11 và hiển thị lên màn hình LCD16x2 hoạt động chính xác.

- Webserver streaming camera hoạt động chính xác

1.3.4 Nội dung vướng mắc

- Liên kết chức năng capture ảnh với webserver

- Thêm các khối chức năng điều khiển nhiệt độ

1.4 Tuần 4

1.4.2 Phân chia công việc

- Phạm Hoàng: Hoàn thành code streaming camera và capture

- Dương Đức Hiếu: hoàn thành mô hình nhà + viết báo cáo

- Việt Hoàng: đọc được cảm biến PIR và hiển thị

1.4.3 Nội dung đã thực hiện

- Hoàn thiện các chức năng của phòng

- Giải đáp được các vấn đề của tuần trước

1.4.4 Nội dung tiếp theo

Hoàn thiện nốt các phòng còn lại và mô hình nhà thông minh Xem xét bổ sung các chức năng

-• Đánh giá công việc thành viên:

- Phạm Hoàng: (Nhóm trưởng)

- Trần Việt Hoàng:

- Dương Đức Hiếu:

CHƯƠNG 2 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

2.1 Giới thiệu về Smart Home

a) Tổng quan về Smart Home

SmartHome (nhà thông minh) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử

có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con ngườitrong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tửnày giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụngtrên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web Sự ra đời củanhà thông minh như một giải pháp thay thế hiện đại:

Smart TV - TV thông minh kết nối Internet, truy cập nội dung thông qua

các ứng dụng, chẳng hạn như video và âm nhạc theo yêu cầu Một số TV thông minh bao gồm nhận diện giọng nói hoặc cử chỉ

Ngoài khả năng điều khiển từ xa và tùy biến, các hệ thống chiếu sáng thông minh có thể phát hiện khi nào có người ở trong phòng và điều chỉnh ánh sáng nếu cần Bóng đèn thông minh cũng có thể tự điều chỉnh

dựa trên ánh sáng ban ngày

Các bộ điều chỉnh nhiệt thông minh được tích hợp Wi-Fi, cho phép

người dùng lên lịch, theo dõi và điều khiển nhiệt độ trong nhà từ xa Các

Sử dụng khóa thông minh và dụng cụ mở cửa nhà để xe, người dùng có

thể cho phép hoặc từ chối mở cửa cho khách vào nhà Hơn nữa, khóa thông minh cũng có thể phát hiện khi chủ nhà đang ở gần và mở khóa cho họ

Với camera quan sát thông minh, người dùng có thể theo dõi nhà của

mình khi di chuyển hoặc đi nghỉ mát Các cảm biến chuyển động thông minh cũng có thể xác định sự khác biệt giữa chủ nhà, khách, thú cưng và

kẻ trộm để thông báo cho chính quyền nếu phát hiện hành vi đáng ngờ

Có thể tự động chăm sóc vật nuôi với hệ thống cho ăn đã được kết nối sẵn Cây trồng trong nhà và cỏ cũng được tưới nước bằng bộ đếm thời gian đã được kết nối

Các thiết bị nhà bếp đều có sẵn, bao gồm máy pha cà phê thông minh có thể pha một tách cà phê thơm ngon ngay khi chuông báo thức của bạn reo lên; tủ lạnh thông minh theo dõi ngày hết hạn, lên danh sách mua sắm hoặc thậm chí tạo ra các công thức nấu ăn dựa trên các thành phần sẵn có;nồi nấu và lò nướng bánh mỳ; trong phòng giặt có máy giặt và máy sấy

Các màn hình hệ thống hộ gia đình có thể cảm nhận được điện áp tăng vọt

và tắt thiết bị; nhận thấy đường ống nước bị hỏng hoặc ngắt các đường ống và tắt nước để không bị tràn ra sàn

2.2 Chức năng mô hình Smart Home thực hiện

- Mở cửa bằng nhận dạng khuôn mặt (có sự can thiệp của chủ nhà)

- Hệ thống điều khiển mở cửa, bật đèn, bật quạt bằng giọng nói

- Hệ thống chống trộm khi được kích hoạt, phát hiện tia hồng ngoại khi có người đến gần

- Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng ngủ

- Hiển thị các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm lên web server

CHƯƠNG 3 KỊCH BẢN SỬ DỤNG 3.1 Yêu cầu cho thiết kế

Giả sử chủ nhà là một thiếu gia sống một mình trong một biệt thự, ít có kháchhay người ngoài vào nhà

3.1.1 Cửa tự động

- Khi có người đến, quét thẻ RFID (nếu đúng) để bật hệ thống nhận diện khuôn mặt, camera chụp một vài ảnh, xử lý và đưa ra thông báo: mở khóa cửa nếu là người nhà, không mở cửa nếu không phải người nhà

- GPS Enter thì thông báo “Welcome home” và bỏ qua chức năng RFID, tiến hànhnhận diện khuôn mặt

- (Ngoài ra có thể mở khóa cửa qua App nhưng khi đó cần nhập mật mã.)

- Giả sử cửa cứ đóng vào là khóa ngoài và chỉ khóa từ bên ngoài, bên trong có thể

3.1.3 Nhiệt độ

- Điều chỉnh nhiệt độ trong phòng tăng lên theo tùy ý người sử dụng, mặc

định là không hoạt động nếu người dùng không bật

3.1.4 Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm

- Sử dụng màn hình LCD để liên tục hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm ngoài hiên nhà và trong nhà để người trong nhà được biết Hiển thị trên

ứng dụng

3.1.5 Hệ thống đảm bảo an toàn

- Cảm biến phát hiện cháy và bật còi cũng như thông báo trên App

- Khi chủ nhà bật chế độ an ninh Security Mode, PIR đặt ở trong phòng khách sẽ được bật, nếu phát hiện chuyển động trong hoặc ngoài hiên nhà thì sẽ phát ra tiếng còi báo động, bật

3.1.6 Giám sát, điều khiển từ xa

- Giả sử nhà đã có đầy đủ các công tắc thủ công và (trung tâm điều khiển Control Center)

- Điều khiển các chức năng thông qua ứng dụng điện thoại Blynk

- Điều khiển bằng giọng nói qua Google Assistance

3.1.7 Các kịch bản khác

- Người dùng có thể bật bình nước nóng từ xa khi muốn tắm hoặc theo giờ

đã định trước (minh họa bằng đèn LED)

- Người dùng đặt báo thức, chuông điện thoại sẽ kêu và máy pha cà phê tự động bật

- Người dùng có thể bật máy pha cà phê khi ngủ dậy (minh họa bằng đèn LED)

3.2 Phương thức đánh giá 3.2.1 Ánh sáng

- Tương tác trực quan với người điều khiển.

3.2.2 Nhiệt độ

- Nhiệt độ quá thấp thì sẽ bật bóng đèn sợi đốt để tăng nhiệt độ lên Hệ thống hiển thị:

- Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm bằng màn hình LCD16x2 (cả web server), để người

ở nhà và người ở xa được biết)

3.2.3 Hệ thống an ninh

- Khách bấm chuông, camera bật lên và quay lại mặt người đó, capture về webserver để chủ nhà nhận diện Nếu là người quen thì chủ nhà sẽ bấm nút mở cửa trên web server, nếukhông phải thì từ chối

- Chủ nhà có thể điều khiển các thiết bị bằng giọng nói (tiếng anh)

3.2.4 Giám sát, điều khiển từ xa

- Giả sử nhà đã có đầy đủ các công tắc thủ công và (trung tâm điều khiển Control Center)

- Điều khiển các chức năng thông qua ứng dụng điện thoại Blynk

- Điều khiển bằng giọng nói qua Google Assistance để bật đèn phòng khách

3.2.5 Các thiết bị khác

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế cơ khí

Gồm 1 tầng, 3 phòng với kích thước tương đương sau

Ngoài ra còn có các cơ cấu cơ khí khác:

o Cửa thông minh

o Đèn sợi đốt, đèn LED 3 chế độ, quạt,…

o Các loại cảm biến

4.2 Thiết kế các chức năng, hệ thống (hardware)

- Các dây nguồn 5V, 3.3V chạy quanh tường

- ESP8266-1 thứ nhất nằm ở phòng 1: Điều khiển toàn bộ hệ thống tầng 1, truyền

tín hiệu không dây PCA kết nối I2C (D1 – GPIO là SCL, D2 – GPIO là SDA)

4.3.2 Hiển thị LCD

- Nhóm sử dụng thư viện có sẵn hỗ trợ truyền thông I2C <LiquidCrystal_I2C.h>

4.3.3 Xuất xung PWM bằng PCA9865

- Thực hiện mô hình giữa kì.

4.3.4 Cảm biến DHT11

- Sử dụng thư viện có sẵn của DHT11 để đọc nhiệt độ và độ ẩm của môi trường

4.3.5 1 – Wire

- Dùng 1 – Wire ở chế độ master – slave

- Trong đó ESP8266 là master còn DHT11 là slave

- Bus dữ liệu khi ở trạng thái chờ (khoảng thời gian không có dữ liệu trên đườngtruyền ) phải ở mức cao do vậy bus dữ liệu cần được kéo lên nguồn thông qua một điện trở VàDHT11 đã có sẵn trở kéo đó nên nhóm không cần thiết kế thêm trở để duy trì bus nữa.

- Thư viện sử dụng: <DHT.h>

4.3.6 I2C

- Dùng I2C ở chế độ one master – multi slave

- Trong đó ESP8266 là master còn LCD16x2 và BMP180 là các slave

- Khi ESP8266 muốn giao tiếp với ngoại vi nào trên bus thì nó sẽ gửi 7 bit

địa chỉ của thiết bị đó ngay sau xung START Byte đều tiên được gửi sẽ bao gồm 7 bit địa chỉ và một bit thứ 8 điều khiển hướng truyền

- Thư viện sử dụng: <wire.h>

4.3.7 Truyền thông không dây và kết nối Internet

a) Kết nối ESP8266 và WiFi

- Để kết nối các thiết bị wireless hoặc có dây vào mạng nội bộ (LAN), ta cần 1 thiết

bị gọi là Điểm truy cập (Access Point) Những thiết bị kết nối với

Access Point được gọi là Station

- Để một Station có thể kết nối không dây vào Access Point thì có 2 thông số cần quan tâm

- SSID: tên của Access Point muốn kết nối đến

- Password: mật khẩu truy nhập Access Point

- ESP8266 có thể kết nối với các thiết bị khác thông qua mạng WiFi theo các chế độ:

+ Chế độ WiFi Access Point

- Sử dụng thư viện có sẵn cơ bản cho ESP8266 <ESP8266WiFi.h>

- Bên cạnh đó còn sủ dụng thư viện tự động lựa chọn WiFi có tốc độ tốt nhất để kết nối

<ESP8266WiFiMulti.h>

4.3.8 Giao thức truyền thông MQTT

- MQTT Là một giao thức truyền tin theo mô hình publish/subcribe (xuất bản/theodõi) sử dụng băng thông thấp độ tin cậy cao và có kha năng hoạt động trong điều kiện đường truyềnkhông ổn định

- Kiến trúc bậc cao của MQTT bao gồm 2 thành phần chính là Broker và ClientBroker là trung tâm của mạng truyền tin MQTT, là điểm giao của tất cả các kết nối trong client Broker

có nhiệm vụ nhận message từ publisher, xếp các message đó theo hàng đợi sau đó chuyển chúng tới 1địa chỉ cụ thể

Hình 0.4 Giao thức MQTT

- Client thì được chia thành 2 nhóm là Publisher và Subcriber Client chỉ làm ítnhất 1 trong 2 việc là gửi các message lên 1 topic cụ thể hoặc subcribe 1 topic nào đó để nhậnmessage từ topic này

- Vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong mỗi trường có độ trễ cao nên nó

là 1 giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M( Machine to Machine)

- Có rất nhiều thư viện đã được viết sẵn nhằm hỗ trợ cho việc lập trình MQTT được viết cho C, C ++, Go, Java, C #, PHP, Python, Node.js,

4.3.9 Nhận diện giọng nói (Python code)

5.1 Linh kiện, thiết bị 5.1.1 Vi điều khiển ESP8266

- Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chipWifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch củaArduino để lập trình và nạp code

- Dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng

Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT

Thông số kỹ thuật

- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc nguồn tự làm

- GIPO giao tiếp ở hiệu điện thế 3.3V

- Có Led báo trạng thái, nút Reset

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Trong dự án này, nhóm sử dụng 2 ESP8266 để điều khiển 2 tầng củaSmarthome

5.1.2 Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT11

Thông số cảm biến:

- Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

- Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

Trong dự án này, nhóm sử dụng 1 cảm biển DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm trongphòng

5.1.4 LED đỏ, LED công suất và đèn sợi đốt

- Dự án sử dụng LED 3 chế độ để minh họa cho các thiết bị có cơ cấu chấp hành khác

- Đèn sợi đốt làm cơ cấu chấp hành cho hệ thống điều chỉnh nhiệt độ

5.1.5 Cảm biến chuyển động PIR

5.1.6 Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor được sử dụng để đocường độ ánh sáng theo đơn vị lux, càm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C